La intuición clásica no vale para la cuántica...

Recuerdo haber leído en muchísimos sitios, en el instituto e incluso en las clases de los primeros cursos de la facultad, la siguiente frase:

"El átomo tiene grandes espacios vacíos en su interior".

Entonces a uno le explicaban que entre el núcleo (formado por protones y neutrones) y el electrón más cercano había una distancia enorme comparado con el tamaño de éstos. Es decir, que sería como si el Sol representase un núcleo, y los planetas fuesen los electrones. Y la realidad es que esto no tiene sentido. Hablando del mundo cuántico, uno no puede aferrarse a la intuición del mundo en el que vivimos, un mundo dominado por la física clásica. Veamos cómo es esto de los espacios vacíos del átomo.

En los primeros intentos de comprender el mundo cuántico, se desarrolló la que se da en llamar "mecánica cuántica semiclásica" o antígua. Son modelos que, aunque tienen en cuenta el comportamiento cuantizado de la energía, la carga y las partículas, sigue manteniendo conceptos como trayectorias y órbitas. ¡Pero cómo! ¿no existen las trayectorias en el mundo cuántico? En realidad no importa. Es decir, uno de los principios de la cuántica dice que no se puede saber con precisión los valores de cantidades físicas, que podríamos llamar complementarias. Es el principio de incertidumbre de Heisenberg. El caso paradigmático es la posición y el momento (la velocidad). Si no podemos saber estos valores con certeza, hablar de trayectorias no tiene sentido. Es como decir que un coche ha atravesado Madrid a 100 km/h. Pero cuando tenemos que decir por dónde ha ido, sólo podemos decir que "por algún lugar entre La Rioja y Castilla La Mancha". Es decir, que de nada sirve hablar de trayectorias si es algo que no se puede calcular.

Bueno, después de esto, veamos porqué nos resulta útil. Si no tiene sentido hablar de trayectorias, hablar de órbitas tampoco tiene sentido. Por lo que se habla de orbitales. Básicamente un orbital sería una extensión del espacio en el que tenemos una probabilidad apreciable de encontrar la partícula que estemos estudiando (generalmente un electrón alrededor de un núcleo). Esto se obtiene resolviendo la ecuación de Schrödinger para ese átomo en concreto. Entonces podremos saber que el electrón tiene una cierta probabilidad de estar en esa región del espacio, pero no sabemos por cuál de los caminos posibles va a desplazarse de un punto a otro.

Y ahora ya podemos conectar con la idea que quería transmitir. Decir que entre el átomo y sus electrones hay grandes espacios vacíos, es una idea producto de la visión clásica de la física, porque supone que el electrón va por su "carril", a una distancia fija del núcleo, y que el núcleo está quieto en el centro de todo esto. Pero como se ve de lo comentado antes, (y si uno calcula la función del onda del electrón, se ve más fácil) el electrón se mueve en una región del espacio, donde es probable su presencia. No es una curva cerrada, sino un volumen. Además, en el caso de los electrones más cercanos al núcleo, orbitales llamados de tipo s, hay bastante probabilidad de encontrar al electrón muy cerca, incluso dentro, del núcleo (sí, esto es raro, y bastante complicado de entender, así que prefiero no meterme en camisa de once varas, y dejarlo así).

Por lo tanto, un átomo tiene "poca" cantidad de materia, desde el punto de vista macroscópico, pero decir que tiene mucho espacio vacío entre sus componentes, es un abuso del lenguaje. Creo que no está claro cuál es el tamaño de un átomo (aunque sí se puede establecer su radio promedio, pero es un promedio), ni parece que tenga mucho sentido establecerlo. Esto es porque en el mundo cuántico, lo que importa son las fuerzas y los potenciales de interacción, que es lo que moldea ese extraño mundo.

Nota: El hecho de que la trayectoria sea algo que no se pueda calcular, es algo más profundo que el simple hecho de que no tengamos los medios de medirla. El principio de incertidumbre es algo intrincado en la esencia misma de la naturaleza de la cuántica.